Глубоководный фермент выдерживает жару, разрушающую большинство белков

Микроорганизмы способны на удивительные химические превращения. Один из примеров — азотфиксация, процесс преобразования газообразного азота (N₂) в форму, которую могут использовать живые организмы. Азот составляет около 78 процентов атмосферы Земли, но растения и животные не могут усваивать его напрямую, поскольку два атома азота в N₂ соединены исключительно прочной тройной химической связью.

Некоторые микроорганизмы научились обходить эту проблему. Они способны разрывать эту связь и превращать N₂ в аммиак, который затем может включаться в биологические молекулы. Один из таких организмов — глубоководный археон Methanocaldococcus infernus, обитающий в вулканических морских средах, где температура флюидов может превышать точку кипения воды.

Исследователи из лаборатории Тристана Вагнера в Институте морской микробиологии Общества Макса Планка в Бремене хотели понять, как этот организм осуществляет азотфиксацию в столь экстремальных условиях. Им удалось «приручить» микроб в лаборатории и заставить его фиксировать N₂ при температурах выше 90 °C.

«Как они это делают в такой жаре? И как фермент, разрывающий тройную связь N₂, может работать в таких условиях?» — задавался вопросом Вагнер.

Ключевой фермент, обеспечивающий эту способность, — нитрогеназа. Он содержит так называемый металлокофактор, который считается самым сложным из известных в биологии. Металлокофакторы — это содержащие металлы вспомогательные молекулы, которые связываются с ферментами и необходимы для их активности.

Наиболее изученные и наиболее эффективные нитрогеназы содержат металлокофактор на основе молибдена. Другие версии используют ванадий или только железо. Учёные до сих пор пытаются выяснить, как эти разные нитрогеназы связаны между собой и как именно их металлические центры позволяют разрывать чрезвычайно прочную тройную связь N₂.

«Нитрогеназа, обнаруженная у Methanocaldococcus infernus, примечательна тем, что, по-видимому, сочетает черты молибденовой, ванадиевой и железной форм. Этот тип нитрогеназы может быть близок к общему предку нитрогеназ — древней системе, от которой все они произошли. Таким образом, он может раскрыть общие принципы реакции нитрогеназы», — говорит Вагнер.

Команде удалось выделить нитрогеназу непосредственно из микроорганизма и обнаружить, что она необычайно устойчива к нагреву. Белок начинал разрушаться только при 90 °C, а часть его оставалась intact даже при 98 °C.

«Это доказывает, что данный фермент создан для работы в условиях, в которых большинство белков быстро разрушалось бы, как яичный белок, сваренный в горячей воде, — говорит первый автор работы Невена Маслач из Института морской микробиологии Общества Макса Планка. — При комнатной температуре он неактивен. Напротив, мы показываем, что он производит аммиак только при высоких температурах. Его экстремальная стабильность позволила нам изучить состояния нитрогеназы, которые обычно трудно зафиксировать».

Исследователям не пришлось возвращаться в глубокое море, чтобы детально изучить фермент. Вместо этого они объединили микробную физиологию, очистку нативного фермента, биохимию и структурную биологию. Каждый этап приходилось выполнять в строго бескислородных условиях, поскольку кислород может необратимо повредить металлокофакторы нитрогеназы.

Команда кристаллизовала фермент и изучала его в Институте структурной биологии в Гренобле (Франция). Там они использовали синхротрон — кольцевой ускоритель частиц, генерирующий мощное рентгеновское излучение.

Это позволило определить молекулярную структуру фермента с почти атомным разрешением. Нитрогеназа оказалась самым простым из известных на сегодня примеров этого фермента, при этом сочетающим структурные особенности всех трёх основных семейств нитрогеназ: молибденовой, ванадиевой и железной форм.

Такое сочетание поддерживает предположение, что древние нитрогеназы были ближе к этому археальному ферменту, чем к нитрогеназам, встречающимся у современных бактерий.

Затем исследователи задались целью подтвердить, что фермент содержит молибденовый металлокофактор.

«Наш поиск молибдена был технически чрезвычайно сложным и потребовал от специалистов синхротрона довести свой инструмент до абсолютного предела», — говорит Вагнер.

Измерения подтвердили ожидаемый сигнал молибдена, но также преподнесли сюрприз.

«Мы были ошеломлены, увидев ранее не наблюдавшееся состояние молибденсодержащей нитрогеназы!»

Ранее исследователи наблюдали это так называемое «оборотное» состояние только у ванадиевых и железных нитрогеназ. Оно может представлять собой промежуточную стадию реакции разложения N₂.

Обнаружение того же состояния в молибденсодержащем ферменте позволяет предположить, что все формы нитрогеназы могут использовать общий механизм разрыва молекулы азота.

Понимание азотфиксации имеет значение далеко за пределами глубоководных сред. Азотфиксирующие микроорганизмы, такие как M. infernus, превращают азот в аммиак, но также играют важную роль в углеродном цикле Земли. Такие микроорганизмы ответственны за производство половины метана, присутствующего в атмосфере.

В будущем исследователи могли бы изучать эти организмы как биологические системы для преобразования газов в полезные продукты, включая метан и аммиак, с зелёным водородом в качестве источника энергии.

«А что, если сельскохозяйственные культуры однажды смогут получать азот напрямую из атмосферного N₂?» — рассуждает Вагнер.

Такой прорыв мог бы снизить зависимость сельского хозяйства от промышленных удобрений. Производство удобрений по процессу Габера — Боша требует больших затрат энергии и связано с выбросами парниковых газов. Избыточное использование удобрений также может способствовать эвтрофикации и другому ущербу для окружающей среды.

«Пока же исследование даёт нечто более фундаментальное: обновлённый молекулярный взгляд на одну из самых замечательных химических реакций в биологии».

Источники:

Материалы предоставлены Институтом морской микробиологии Общества Макса Планка.

Nevena Maslać, Mustafa Rasim Törer, Pauline Bolte, Tristan Wagner. Molecular basis of N2 fixation in a hyperthermophilic archaeon. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-77173-0